粘膜における気液相互作用をMEMS技術で模倣した生化学式ガスセンサの創生

• Project/Area Number: 20656067
• Research Category: Grant-in-Aid for Challenging Exploratory Research
• Allocation Type: Single-year Grants
• Research Field: Measurement engineering
• Research Institution: Tokyo Medical and Dental University
• Principal Investigator: 工藤 寛之 Tokyo Medical and Dental University, 生体材料工学研究所, 講師 (70329118)
• Co-Investigator(Kenkyū-buntansha): 三林 浩二 東京医科歯科大学, 生体材料工学研究所, 教授 (40307236) ; 斉藤 浩一 東京医科歯科大学, 生体材料工学研究所, 助教 (00205668) ; 宮島 久美子 東京医科歯科大学, 生体材料工学研究所, 技術職員 (10516298)
• Project Period (FY): 2008 – 2009
• Project Status: Completed (Fiscal Year 2009)
• Budget Amount: ¥2,900,000 (Direct Cost: ¥2,900,000); Fiscal Year 2009: ¥1,100,000 (Direct Cost: ¥1,100,000); Fiscal Year 2008: ¥1,800,000 (Direct Cost: ¥1,800,000)
• Keywords: UV-LED / ガスセンサ / 計測工学 / バイオセンサ / マイクロシステム / ホルムアルデヒド / 光ファイバ / PDMS

Research Abstract

嗅覚の粘膜構造を意識した湿潤型の感応部構造を構築することで、環境医学を志向した生化学式ガスセンサを開発した。デバイスの開発では、ポリジメチルシロキサンのモールディングにて多数のマイクロピラー構造を配列した微細構造を開発し、湿潤型のセンサ感応部を構築し、酸素センサ等に応用した。また、ガス成分での光学計測法として、アルコール脱水素酵素を固定化した感応膜に酸化型ニコチンアミドアデニンジヌクレオチド(NAD+)を含むリン酸緩衝液を供給することで湿潤させ、基質成分であるアルコールを認識することで生成された還元型のNADHを蛍光にて計測する手法を確立した。実験では、2分岐型の光ファイバの一方に中心波長335nmの紫外線LED光源を、もう一方に分光器を接続し、励起光をプローブに導入、プローブ近傍で発生したNADHの蛍光を同軸にて計測するシステムを構築した。本システムにアルコールガスを負荷したところ、上記感応膜におけるNADHの産生を示す491nmの蛍光が観察され、ヒトの嗅覚を上回る感度にて(定量範囲:0.3-300ppm)でアルコールガスの定量が可能で、高いガス選択性を有するNADH蛍光検出型生化学式ガスセンサの性能が確認された。
開発した手法は卓上型のコンパクトなシステムにて、多様なガスを非常に高い感度、選択性で簡便に連続計測が可能な点が特徴である。この手法では酵素の種類を変更するだけで、ホルムアルデヒドなど多様なガス成分に応用展開可能であり、将来的には健康的な生活環境を構築するための環境マネジメント等への応用が期待される。

Research Products

• [Journal Article] Flexible humidity sensor in a sandwich configuration with a hydrophilic porous membrane (2009)
  • Author(s): Miyoshi Y, Miyajima K, Saito H, Kudo H, Takeuchi T, Karube I, Mitsubayashi K
  • Journal Title: Sens Actuators B Chem 142 Pages: 28-32
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] A NADH-dependent fiber-optic biosensor for ethanol determination with a UV-LED excitation system (2009)
  • Author(s): Kudo H, Sawai M, Wang X, Gessei T, Koshida T, Miyajima K, Saito H, Mitsubayashi K
  • Journal Title: Sens Actuators B Chem 141 Pages: 20-25
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] A soft and flexible biosensor using a phospholipid polymer for continuous glucose monitoring. Biomed Microdevices (2009)
  • Author(s): Chu MX, Kudo H, Shirai T, Miyajima K, Saito H, Morimoto N, Yano K, Iwasaki Y, Akiyoshi K, Mitsubayashi K
  • Journal Title: Biomed Microdevices 11 Pages: 837-842
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Bio-sniffers for ethanol and acetaldehyde using carbon and Ag/AgCl coated electrodes (2009)
  • Author(s): Gessei T, Sato H, Kazawa E, Kudo H, Saito H, Mitsubayashi K
  • Journal Title: Microchim.Acta 165 Pages: 179-186
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Glucose sensor using phospholipid polymer-based enzyme immobilization method (2008)
  • Author(s): Kudo H, et al.
  • Journal Title: Anal Bioanal Chem 391
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Electrochemical sensor with flavin-containing monooxygenase for triethylamine solution (2008)
  • Author(s): Saito H, Shirai T, Kudo H, Mitsubayashi K.
  • Journal Title: Anal Bioanal Chem 391
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] An NADH fluorometr ic biosensor with UV-LED based excitation technique (2008)
  • Author(s): H. Kudo, et al.
  • Journal Title: Proc Int. Meeting on Chemical Sensors 563-564
• [Presentation] ダニアレルゲンDer f I測定のための光ファイバ式蛍光免疫計測システムに関する研究 (2009)
  • Author(s): 宮島久美子, 越田智之, 齊藤浩一, 工藤寛之, 三林浩二
  • Organizer: 第48回日本生体医工学会大会
  • Place of Presentation: タワーホール船堀,東京
• [Presentation] 生体触媒を利用した呼気成分の可視化法に関する研究 (2009)
  • Author(s): 王シン, 遠藤裕幸, 宮島久美子, 齊藤浩一, 工藤寛之, 三林浩二
  • Organizer: 第48回日本生体医工学会大会
  • Place of Presentation: タワーホール船堀,東京
• [Presentation] 生体適合性ポリマーを用いたシート型化学センサに関する研究 (2009)
  • Author(s): 白井隆行, 工藤寛之, 初明星, 宮島久美子, 齊藤浩一, 森本展行, 矢野和義, 岩崎泰彦, 秋吉一成, 三林浩二
  • Organizer: 第48回日本生体医工学会大会
  • Place of Presentation: タワーホール船堀,東京
• [Presentation] 涙液グルコース計測のためのソフトコンタクトレンズ型バイオセンサの開発 (2009)
  • Author(s): 初明星, 工藤寛之, 宮島久美子, 齊藤浩一, 森本展行, 岩崎泰彦, 秋吉一成, 三林浩二
  • Organizer: 第48回日本生体医工学会大会
  • Place of Presentation: タワーホール船堀,東京
• [Presentation] A fiber-optic fluorescent immunoassay for a flow-measurement of E.coli O157:H7 (2009)
  • Author(s): 宮島久美子, 越田智之, 高橋大志, 荒川貴博, 斎藤浩一, 工藤寛之, 矢野和義, 三林浩二
  • Organizer: 9th Workshop on(Bio)sensors and Bioanalytical microtechniques in environmental and clinical analysis
  • Place of Presentation: Universite de Montreal, Montreal, Canada
• [Presentation] Biochemical gas sensor(Bio-sniffer)using an ultraviolet LED for ethanol gas measurement (2009)
  • Author(s): 工藤寛之, Masayuki Sawai, Tomoko Gessei, 宮島久美子, 高橋大志, 荒川貴博, 斎藤浩一, 三林浩二
  • Organizer: 9th Workshop on(Bio)sensors and Bioanalytical microtechniques in environmental and clinical analysis
  • Place of Presentation: Universite de Montreal, Montreal, Canada
• [Presentation] A biochemical sensor for toluene using enzyme inhibition of butyrylcholinesterase (2009)
  • Author(s): 斎藤浩一, 鈴木祐貴, Tomoko Gessei, Elito Kazawa, 宮島久美子, 高橋大志, 荒川貴博, 工藤寛之, 三林浩二
  • Organizer: 9th Workshop on(Bio)sensors and Bioanalytical microtechniques in environmental and clinical analysis
  • Place of Presentation: Universite de Montreal, Montreal, Canada
• [Presentation] 住環境における高感度VOC計測をめざした生化学式ガスセンサ (2009)
  • Author(s): 工藤寛之, 鈴木祐貴, 宮島久美子, 高橋大志, 荒川貴博, 三林浩二, 月精智子, 齊藤浩一
  • Organizer: 電気学会 バイオ・マイクロシステム研究会
  • Place of Presentation: 東京工科大学,八王子
• [Presentation] A flow analysis of E.coli O157:H7 by fiber optic fluorescent immunoprobe (2009)
  • Author(s): 越田智之, Midori Taniguchi, 宮島久美子, 高橋大志, 荒川貴博, Hiroyuki Kudo, 矢野和義, 三林浩二
  • Organizer: FLOW ANALYSIS XI
  • Place of Presentation: Mallorca, Spain
• [Presentation] Optical Bio-sniffer(gas sensor)using UV-LED for gaseous ethanol (2009)
  • Author(s): Masayuki Sawai, 宮島久美子, 高橋大志, Takahiro Arakawa, 斎藤浩一, 工藤寛之, 三林浩二
  • Organizer: 6th International Conference Instrumental Methods of Analysis Modern Trends and Applications
  • Place of Presentation: Athens, Greece
• [Presentation] Fiber optic Bio-sniffer(biochemical gas sensor)using UV-LED light for monitoring ethanol vapor with high sensitivity & selectivity (2009)
  • Author(s): 工藤寛之, 宮島久美子, 高橋大志, 荒川貴博, 齊藤浩一, 三林浩二
  • Organizer: The 8th annual IEEE Conference on Sensors IEEE SENSORS 2009
  • Place of Presentation: Christchurch, New Zealand
• [Presentation] Fiber-optic fluoroimmunoassay system for a determination of mite allergen in residential atmosphere (2009)
  • Author(s): 宮島久美子, Gen Itabashi, 越田智之, Daishi Takahashi, 荒川貴博, 斎藤浩一, 工藤寛之, 三林浩二
  • Organizer: 8th Asian Conference on Chemical Sensors
  • Place of Presentation: Daegu, Korea
• [Presentation] A high-sensitive fiber-optic biosensor for Phenylalanine using an UV-LED excitation system (2009)
  • Author(s): Gen Itabashi, 越田智之, 宮島久美子, Daishi Takahashi, 荒川貴博, 工藤寛之, 三林浩二
  • Organizer: 8th Asian Conference on Chemical Sensors
  • Place of Presentation: Daegu, Korea
• [Presentation] 短波長紫外線LEDを用いた生化学式ガスセンサ (2008)
  • Author(s): 工藤寛之, 他
  • Organizer: 第7回次世代医療産業化フォーラム2008
  • Place of Presentation: 大阪
  • Year and Date: 2008-10-04
• [Presentation] Comparison of a Microfluidic Gas-Intake Devices with Pillar-Type and Microfluidic Membrane-Type Structures (2008)
  • Author(s): Amano M, Kudo H, et al.
  • Organizer: 214th ECS Meeting, Honolulu
  • Place of Presentation: Honolulu